Nghiên cứu ứng dụng phương pháp xây dựng lưới ô vuông độ cao địa hình mặt biển trung bình động học từ kết quả đo cao vệ tinh trên biển đông

Sau khi tính toán và hiệu chỉnh các sai số kết hợp với việc bình sai giao cắt chúng ta nhận được độ cao địa hình mặt biển trung bình động học của các điểm đo trong thời gian chu kỳ đo ca

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

VŨ TRUNG THÀNH

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG LƯỚI Ô VUÔNG

ĐỘ CAO ĐỊA HÌNH MẶT BIỂN TRUNG BÌNH ĐỘNG HỌC TỪ KẾT QUẢ

ĐO CAO VỆ TINH TRÊN BIỂN ĐÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

VŨ TRUNG THÀNH

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG LƯỚI Ô VUÔNG

ĐỘ CAO ĐỊA HÌNH MẶT BIỂN TRUNG BÌNH ĐỘNG HỌC TỪ KẾT QUẢ

ĐO CAO VỆ TINH TRÊN BIỂN ĐÔNG

NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

MÃ SỐ: 60520503

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 TS NGUYỄN VĂN SÁNG

2 TS DƯƠNG CHÍ CÔNG

HÀ NỘI - 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu và kết quả đưa ra trong luận văn hoàn toàn trung thực Các kết quả nghiên cứu trong luận văn chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nghiên cứu hay luận văn nào khác

Hà Nội, ngày tháng 10 năm 2015

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Vũ Trung Thành

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU - 1 -

1 Tính cấp thiết của đề tài - 1 -

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - 2 -

3 Mục đích của đề tài - 2 -

4 Nội dung và nhiệm vụ của đề tài - 2 -

5 Phương pháp nghiên cứu - 3 -

6 Kết quả nghiên cứu của đề tài - 3 -

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - 3 -

8 Cấu trúc luận văn - 4 -

CHƯƠNG 1: ĐO CAO VỆ TINH - 5 -

1.1 Khái quát chung về đo cao vệ tinh - 5 -

1.2 Các chương trình đo cao vệ tinh - 14 -

1.3 Ứng dụng của đo cao vệ tinh - 40 -

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG LƯỚI Ô VUÔNG ĐỘ CAO ĐỊA HÌNH MẶT BIỂN TRUNG BÌNH ĐỘNG HỌC - 50 -

2.1 Xác định địa hình mặt biển trung bình động học - 50 -

2.2 Xác định vị trí điểm giao cắt của các vết quét đo cao vệ tinh - 53 -

2.3 Lý thuyết bình sai mạng lưới các điểm giao cắt - 61 -

2.4 Cơ sở lý thuyết phương pháp xây dựng lưới ô vuông độ cao địa hình mặt biển trung bình động học - 65 -

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM TÍNH TOÁN - 71 -

3.1 Giới thiệu chung về khu vực và số liệu thực nghiệm - 71 -

3.2 Xây dựng chương trình nội suy độ cao địa hình mặt biển trung bình động

học từ số liệu đo cao vệ tinh trên biển đông - 75 -

3.3 Kết quả tính toán thực nghiệm - 83 -

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - 85 -

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ - 86 -

TÀI LIỆU THAM KHẢO - 87 -

PHỤ LỤC -89-

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AVISO Archiving, Validation and Interpretation of Satellite

Oceanographic data

ENVISAT Environmental Satellite

ESA European Remote Sensing Satellite

GeoSat Geodetic Satellite

GPS Global Positioning System

RADS Radar Altimeter Database System

Doris Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by

Satellite CorSSH Corrected Sea Surface Height

CryoSat Cryosphere Satellite

NASA National Aeronautics and SpaceAdministration

NOAA National Oceanic and AtmosphericAdministration

SWIM Surface Wave Investigation and Monitoring

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các chương trình đo cao vệ tinh ngừng hoạt động 14

Bảng 1.2 Các thiết bị trên vệ tinh T/P 19

-Bảng 1.3 Các tham số chính và tham số bổ sung của quỹ đạo vệ tinh T/P

23

-Bảng 1.4 Các tham số quỹ đạo đặc trưng của vệ tinh EnviSat(Nguồn:AVISO) 26

Bảng 1.5 Các chương trình đo cao đang hoạt động 29

-Bảng 1.6 Các tham số quỹ đạo đặc trưng của vệ tinh Saral (Nguồn: AVISO)

34

-Bảng 2.1 Kết quả xác định các tham số độ lệch và độ nghiêng - 64 -

Bảng 3.1 Giá trị hàm tương quan thực nghiệm - 77 -

Bảng 3.2 Kết quả tính toán - 84 -

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Nguyên tắc đo cao vệ tinh (nguồn: internet) 6

Hình 1.2 Sự cải thiện của độ chính xác bán kính quĩ đạo đối với SEASAT 8 Hình 1.3 Mô tả hình học tại điểm hiệu chuẩn 9

-Hình 1.4 Số hiệu chỉnh do tầng điện ly được xác định từ trị đo của DORIS Bản đồ được vẽ bằng Basic Radar Altimetry Toolbox đối với sản phẩm của vệ tinh đo cao JASON 1 Đơn vị là m 10

-Hình 1.5 Số hiệu chỉnh do độ gồ ghề mặt biển tính toán từ mô hình thực nghiệm đối với băng tần Ku, vệ tinh JASON1, chu kỳ 223 12

-Hình 1.6 Mối quan hệ giữa độ dốc cạnh hàng đầu của các tín hiệu phản hồi và chiều cao sóng; SWH = trung bình giá trị lớn thứ ba của chiều cao sóng 13

Hình 1.7 Vệ tinh GEOSAT (nguồn: AVISO) 16

Hình 1.8 Vệ tinh ERS1(Nguồn: AVISO) 16

Hình 1.9.Quĩ đạo của ERS1(Nguồn: AVISO) 17

Hình 1.10 Vệ tinh T/P trên quỹ đạo (Nguồn: AVISO) 18

Hình 1.11 Các thiết bị của vệ tinh T/P (Nguồn: AVISO) 19

Hình 1.12 Các vết đo của vệ tinh T/P (Nguồn: AVISO) 22

Hình 1.13 Vệ tinh EVISAT (Nguồn: AVISO) 24

Hình 1.14 Các thiết bị trên vệ tinh ENVISAT (Nguồn: AVISO) 26

Hình 1.15 Quỹ đạo chuyển động của vệ tinh EnviSat (Nguồn: AVISO) 27

Hình 1.16 Vệ tinh GFO (Nguồn: AVISO) 27

Hình 1.17 Vệ tinh Jason 1 và các thiết bị (Nguồn: AVISO) 29

Hình 1.18 Các vết quét của vệ tinh JASON1( Nguồn: AVISO) 29

Hình 1.19 Vệ tinh CRYOSAT( Nguồn: AVISO) 31

Hình 1.20 Vệ tinh SARAL/AlTIKA (Nguồn: AVISO) 32

Hình 1.21 Các thiết bị trên vệ tinh SARAL (Nguồn: AVISO) 33

Hình 1.22 Vệ tinh HY2 trong quá trình thử nghiệm (Nguồn: AVISO) 35

Hình 1.23 Vệ tinh JASON – 2 (Nguồn: AVISO) 36

-Hình 1.24 Vệ tinh SENTINEL-3 (Nguồn: AVISO) - 37 -

Hình 1.25 Vệ tinh JASON3 (Nguồn: AVISO) 37

Hình 1.26 Vệ tinh JASONCS (Nguồn: AVISO) 39

Hình 1.27 Vệ tinh CFOSAT (Nguồn: AVISO) 40

Hình 1.28 Khả năng ứng dụng của đo cao từ vệ tinh (Nguồn: ESA) 41

-Hình 1.29 Độ sâu đáy biển ứng dụng dữ liệu đo cao vệ tinh (Nguồn: Cnes)

42

Hình 1.30 Dị thường trọng lực và địa hình bề mặt đáy biển 43

Hình 1.31 Bề mặt nước biển trung bình (Nguồn: CLS) 43

Hình 1.32 Đo cao vệ tinh trong quan trắc song thần (Nguồn:CEA/CLS) 44 Hình 1.33 Nghiên cứu sự lưu thông đại dương 45

Hình 1.34 Hải lưu tính toán từ số liệu đo cao vệ tinh (Nguồn: AVISO) 45

Hình 1.35 Mô Hình thủy triều FES99 từ dự liệu đo cao vệ tinh 46

-Hình1.36 Mực nước biển tính từ dữ liệu đo cao vệ tinh (Nguồn:Legos/CNRS) 47

-Hình 1.37 Sự tăng mực nước biểntrung bình sử dụng dữ liệu đo cao vệ tinh

47

Hình 1.38 Xác định và dự báo EL Nino dựa vào số liệu vệ tinh 48

Hình 1.39.Sự thay đổi hệ số tán xạ của đất (Nguồn: Legos/CNRS) 49

-Hình 2.1 Mối quan hệ giữa SSH, N và h đ - 52 -

Hình 2.2 Mô phỏng vết quét đo cao vệ tinh 53

Hình 2.3 Vị trí điểm giao cắt 56

Hình 2.4 Vị trí gần đúng của điểm giao cắt 57

Hình 2.5 Chênh lệch độ cao tại điểm giao cắt 60

Hình 2.6 Địa hình mặt biển trung bình động học trên Biển đông 65

Hình 2.7 Sơ đồ tính hàm tương quan thực nghiệm 69

Hình 3.1 Biển đông trong khu vực Đông Nam Á (nguồn: internet) 71

Hình 3.2 Các điểm nút ô vuông 75

-Hình 3.3 Hiệp phương sai thực nghiệm của độ cao địa hình mặt biển trung bình động học tại chu kỳ 81 của vệ tinh ENVISAT 78

-Hình 3.4 Kết quả xấp xỉ hàm hiệp phương sai lý thuyết với giá trị hiệp phương sai thực nghiệm chu kỳ 81 79

-Hình 3.5 Điểm nội suy trong vòng bán kính R=1 0 79

Hình 3.6 Sơ đồ khối chương trình nội suy 82

Hình 3.7 Giao diện chương trình nội suy MDT 83

-MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trên thế giới, trong những năm gần đây, đo cao vệ tinh (Altimetry) phát

triển rất mạnh mẽ, được ứng dụng hiệu quả trong các lĩnh vực Trắc địa

(Geodesy), Địa Vật Lý (Geophysics), Hải Dương Học (Oceanography), nghiên cứu về băng (Glaciology), khí quyển (Atmospheric), khoa học Vũ trụ (Space Science), thủy văn học (Hydrology), nghiên cứu môi trường (Environmental Studies) và lâm nghiệp (Forestry)

Việc ứng dụng đo cao vệ tinh vào nghiên cứu Biển Đông là một ứng dụng mới được áp dụng vào Việt Nam, mở ra một hướng nghiên cứu mới, đầy triển vọng phát triển, sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển của khoa học Trắc địa nói chung và các khoa học kỹ thuật khác nói riêng của nước nhà bắt kịp và hòa nhập với sự phát triển của khoa học trên thế giới

Trong Trắc địa, số liệu đo cao vệ tinh cho phép xác định địa hình mặt biển trung bình động học, Geoid biển, dị thường trọng lực biển và địa hình đáy biển v.v Trong Địa Vật Lý, số liệu đo cao vệ tinh cho phép nghiên cứu được cấu trúc, mật độ vật chất của lớp vỏ trái đất dưới đáy biển Bằng số liệu

đo cao vệ tinh, lần đầu tiên người ta thành lập được bản đồ băng trên biển và giám sát được hiện tượng băng tan do nóng lên toàn cầu Số liệu đo cao vệ tinh cũng được sử dụng để nghiên cứu các dòng hải lưu v.v

Khi sóng radar từ vệ tinh phát xuống mặt biển và phản xạ trở lại máy thu, ta xác định được độ cao bề mặt nước biển tức thời tại thời điểm quan sát Sau khi tính toán và hiệu chỉnh các sai số kết hợp với việc bình sai giao cắt chúng ta nhận được độ cao địa hình mặt biển trung bình động học của các điểm đo trong thời gian chu kỳ đo cao vệ tinh Để phục vụ các mục đích sử dụng khác nhau chúng ta cần xây dựng lưới ô vuông các điểm có độ cao địa

hình mặt biển trung bình động học Công việc này được thực hiện bằng cách nội suy độ cao địa hình mặt biển trung bình động học từ các điểm đo

Trong trắc địa cao cấp, địa hình mặt biển trung bình động học có mối liên hệ mật thiết với bề mặt Geoid, có vai trò vô cùng quan trọng trong việc nghiên cứu kích thước, hình dáng, thế trọng trường của Trái đất nói chung và nghiên cứu thế trọng lực và bề mặt Geoid trên lãnh thổ Việt Nam Với những ứng dụng to lớn và vai trò quan trọng của đo cao vệ tinh như vậy đồng thời muốn nâng cao kiến thức của mình khi tìm hiểu về lĩnh vực mới mẻ này, tác

giả đã chọn đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng phương pháp xây dựng lưới ô

vuông độ cao địa hình mặt biển trung bình động học từ kết quả đo cao vệ tinh trên Biển Đông”

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Có nhiều phương pháp nội suy như: Collocation, Kriging, Spline, đa thức v.v Ở đây, tác giả trình bày một phương pháp nội suy mới, đó là phương pháp nội suy dự đoán tuyến tính tối ưu để xây dựng lưới ô vuông các điểm độ cao địa hình mặt biển trung bình động học

Số liệu và khu vực thực nghiệm được sử dụng trong đề tài là số liệu đo cao vệ tinh thu thập được từ vệ tinh đo cao Envisat đo trên một phần khu vực Biển Đông từ số liệu đo cao vệ tinh ở chu kỳ thứ 81

3 Mục đích của đề tài

Xây dựng được lưới ô vuông các điểm độ cao địa hình mặt biển trung bình động học từ kết quả đo cao vệ tinh trên Biển Đông

4 Nội dung và nhiệm vụ của đề tài

- Tìm hiểu tổng quan về đo cao vệ tinh

- Tìm hiểu về cách xác định độ cao địa hình mặt biển trung bình động học từ số liệu đo cao vệ tinh

- Nghiên cứu phương pháp xây dựng lưới ô vuông các điểm có độ cao địa hình mặt biển trung bình động học

- Thực nghiệm xây dựng lưới ô vuông các điểm có độ cao địa hình mặt biển trung bình động học trên Biển Đông

- Lập trình tính toán thực nghiệm xây dựng lưới ô vuông độ cao địa hình mặt biển trung bình động học trên Biển Đông

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thu thập số liệu, tài liệu;

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết;

- Phương pháp tính toán thực nghiệm;

- Phương pháp áp dụng công nghệ thông tin

6 Kết quả nghiên cứu của đề tài

Từ các lý thuyết và số liệu thu thập được, dựa vào cơ sở toán học của phương pháp nội suy dự đoán tuyến tính tối ưu tác giả đã tiến hành xây dựng được chương trình xử lý tự động trên máy tính Các kết quả nghiên cứu mà đề tài thực hiện cụ thể như sau:

- Thu thập số liệu đo cao từ vệ tinh ENVISAT trong một chu kỳ đo cao

từ Trung tâm lưu trữ số liệu đo cao vệ tinh AVISO (cụ thể trong đề tài này chu kỳ thứ 81 vệ tinh ENVISAT)

- Nghiên cứu lý thuyết phương pháp xây dựng lưới ô vuông các điểm

có độ cao địa hình mặt biển trung bình động học

- Xây dựng được chương trình phần mềm nội suy độ cao các điểm độ cao trong đo cao vệ tinh

- Ứng dụng được lý thuyết nội suy dự đoán tuyến tính tối ưu để nội suy các điểm độ cao trong số liệu thực nghiệm một chu kỳ đo cao vệ tinh Envisat trên khu vực Biển Đông

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ở Việt Nam cho đến nay, chưa có công trình nào nghiên cứu xây dựng

mô hình MDT cho Biển Đông Gần đây, có một số công trình khai thác sử dụng các mô hình MDT do thế giới xây dựng trên Biển Đông, tuy nhiên các kết quả khảo sát cho thấy các mô hình MDT của thế giới không phù hợp lắm với Biển Đông Từ những lý do trên, thấy rằng việc nghiên cứu xây dựng mô hình MDT cho Biển Đông là cần thiết

Kết quả tác giả đã xây dựng được mô hình MDT trên Biển Đông dựa vào độ cao địa hình mặt biển trung bình động học của các điểm đo cao vệ tinh bằng phương pháp nội suy dự đoán tuyến tính tối ưu

8 Cấu trúc luận văn

Nội dung luận án được trình bày trong ba chương cùng với phần mở đầu, kết luận kiến nghị, tài liệu tham khảo và phụ lục

CHƯƠNG 1: ĐO CAO VỆ TINH 1.1 Khái quát chung về đo cao vệ tinh

1.1.1 Nguyên tắc đo cao vệ tinh

Đo cao vệ tinh là một trong những phương pháp mới nhất của Trắc địa

vệ tinh Khi vệ tinh S chuyển động theo quỹ đạo xác định trong hệ tọa độ địa tâm của Trái Đất, vào mỗi thời điểm t chúng ta biết được tọa độ không gian

xS, ys, zs của vệ tinh, tức biết được bán kính – vectơ địa tâm ρs của vệ tinh S và

độ cao trắc địa H = SSo của vệ tinh S Vào thời điểm t, vệ tinh phát tín hiệu vô tuyến xuống mặt biển và thu nhận được tín hiệu phản xạ Khi tính cải chính

do sóng thủy triều, chúng ta nhận được độ cao đo SS” = hS của vị trí S của vệ tinh so với mặt biển trung bình

Trị đo cao từ vệ tinh:

Nếu gọi So là vết của quỹ đạo vệ tinh trên mặt Ellipsoid vào thời điểm

t, thì đoạn S’So= ζlà độ cao Geoid của vị trí S’’ trên mặt biển Đoạn S’S’’= d – độ cao của mặt nước biển so với mặt Geoid và khi mặt nước biển trùng với mặt biển trung bình, thì đoạn này được gọi là độ cao địa hình mặt biển trung bình động học (MDT) Đoạn SoS’’ = H



là khoảng cách từ điểm S” trên mặt biển đến với mặt Ellipsoid và khi mặt nước biển trùng với mặt biển trung bình, thì đoạn này được gọi độ cao của mặt biển trung bình (SSH) Đoạn OSo

là bán kính – vectơ địa tâm của vết So Chúng ta thấy rằng độ cao H  d 

còn là độ cao trắc địa của điểm S” trên mặt nước biển so với mặt Ellipsoid

Từ hình 1.1, chúng ta có thể xác định độ cao trắc địa H của vệ tinh theo công thức:

S S

Hình 1.1 Nguyên tắc đo cao vệ tinh (nguồn: internet)

Bộ cảm biến trên vệ tinh đo cao làm việc ở tần số cơ bản khoảng 13.5 GHz (Ku band), tương đương với chiều dài bước sóng là 2.2 cm Độ dài của xung là vài nano giây cho phép xác định khoảng cách đo chính xác đến vài

cm Trên hình 1.1, cho thấy rằng đo cao vệ tinh có thể quét trực tiếp bề mặt biển mà mặt biển thì gần như xấp xỉ với geoid Vì vậy, đo cao vệ tinh là một công cụ Trắc địa quan trọng để trực tiếp thành lập Bản đồ geoid trên biển Phương pháp này cho phép quét trên vùng biển rộng lớn với thời gian ngắn, xác định được bề mặt biển với độ phân giải cao

Mặt khác đo cao vệ tinh là sự kết hợp nhiều ngành của Trắc địa vệ tinh

Sự khác biệt của bề mặt biển trung bình và Geoid liên quan đến các yếu tố của Hải Dương học Vì vậy, đo cao vệ tinh cũng là trị đo quan trọng đối với những người nghiên cứu Hải Dương Các nhà Địa Vật Lý có thể từ những

thông tin của đo cao vệ tinh mà phân tích cấu trúc đáy Đại Dương và kiến tạo của nó Nguồn số liệu đo cao vệ tinh hiện có đã góp phần quan trọng vào các

kết quả nghiên cứu của Trắc địa, Địa Vật Lý và Hải Dương học

Trong những năm gần đây, một số chương trình đo cao vệ tinh đã được phóng và một số chương trình chuẩn bị phóng trong tương lai Đến nay, đo cao vệ tinh vẫn là một trong những phương pháp quan trọng của Trắc địa vệ tinh dùng để nghiên cứu Trái Đất

1.1.2 Các nguồn sai số và số hiệu chỉnh trong đo cao vệ tinh

1.1.2.1 Sai số quĩ đạo vệ tinh

Sai số quĩ đạo vệ tinh là độ lệch của quĩ đạo thực so với quĩ đạo tính toán Có các nguyên nhân chủ yếu sau gây ra sai số quĩ đạo:

- Sự hạn chế về độ phân giải và độ chính xác của trường trọng lực Trái Đất được sử dụng để tính quĩ đạo;

- Sai số tọa độ của các trạm theo dõi;

- Sai số hoặc hạn chế trong các hệ thống theo dõi vệ tinh (Doppler, Laser, GPS );

- Sai số do mô hình trong tính toán quĩ đạo

Trong các nguyên nhân trên thì ảnh hưởng của trường trọng lực Trái Đất là lớn nhất, đặc biệt là đối với các chương trình đo cao vệ tinh có từ sớm Mỗi vệ tinh đặc biệt nhạy cảm với một nhóm của các hệ số điều hòa của mô hình trường trọng lực Chính điều này đã thúc đẩy việc phát triển xây dựng

mô hình trường trọng lực để đáp ứng yêu cầu xác định quĩ đạo vệ tinh

Các mô hình trường trọng lực đáp ứng yêu cầu từ PGS-S1 đến PGS-S4 được phát triển phục vụ cho vệ tinh SEASAT và đã cải thiện độ chính xác quĩ đạo từ 5m đến 1m hình 1.2

Hình 1.2 Sự cải thiện của độ chính xác bán kính quĩ đạo đối với SEASAT

Trong hình trên (1) là độ chính xác trước khi phóng, (2) (5) là độ chính xác khi bổ sung số liệu từ laser SEASAT, số liệu đo cao GEOS-3, số

liệu đo cao SEASAT, Doppler TRANET, (6) là độ chính xác cuối cùng

Một khía cạnh quan trọng thứ hai trong việc xác định quĩ đạo là các hệ thống theo dõi Các hệ thống hoạt động ở mọi thời tiết như GPS hay DORIS

là một lợi thế để xác định quĩ đạo Khi yêu cầu độ chính xác cao ví dụ như khi hiệu chuẩn hoặc cho những dự án đặc biệt thì công nghệ đo laser đến vệ tinh được áp dụng cho những vệ tinh đo cao có lắp gương phản xạ Nhưng nhược điểm của việc theo dõi gương phản xạ là phụ thuộc vào thời tiết và các trạm quan trắc phải phân bố trên toàn cầu Đối với vệ tinh GEOSAT thì theo dõi Doppler trên cơ sở TRANET đạt kết quả tốt

Chương trình T/P chủ yếu dựa trên kỹ thuật DORIS, Doppler Sau khi

hệ thống PRARE trên vệ tinh bị hỏng, việc xác định quĩ đạo chủ yếu dựa vào

đo laser PRARE và SLR được sử dụng cho ERS-2 DORIS và SLR sử dụng cho Envisat

Tọa độ địa tâm của các trạm theo dõi thường liên quan đến ITRF và được xác định dựa trên những kỹ thuật đo toàn cầu chính xác như: SLR, VLBI, GPS, DORIS Độ chính xác tiếp tục được cải tiến bằng những trị đo mới và hiện nay đã đạt cỡ cm Tuy nhiên đối với những vệ tinh có sớm như GEOS-3, SEASAT-1, GEOSAT, tọa độ của các trạm theo dõi có thể bị sai cỡ vài mét

Ngay cả với điều kiện thuận lợi và có hệ thống theo dõi hiện đại thì các sai số quĩ đạo còn lại cũng chiếm một phần đáng kể trong tổng sai số đo cao

Do đó, các phương pháp cải thiện quĩ đạo phải được áp dụng

1.1.2.2 Sai số dọc đường truyền tín hiệu

1 Những ảnh hưởng của sai số do dụng cụ đo:

- Khoảng cách giữa tâm pha ăng ten và tâm vật chất của vệ tinh;

- Độ trễ trong các thiết bị điện;

- Sai số thời gian trong hệ thống đo

Các ảnh hưởng này có thể được giảm thiểu và ước tính Ảnh hưởng tổng thể của sai số do dụng cụ làm cho độ cao bị lệch đi được xác định và kiểm soát tại các điểm hiệu chuẩn đo cao ở các vùng kiểm tra Khi vệ tinh đi qua đỉnh của các trạm đo laser trên Mặt Đất thì việc kiểm tra là thích hợp nhất Đối với vệ tinh GEOS-3, giá trị hiệu chuẩn trung bình được xác định là 5,30 m Đối với SEASAT-1 giá trị hiệu chuẩn gần như bằng 0

Hình 1.3 Mô tả hình học tại điểm hiệu chuẩn

Đối với vệ tinh T/P, các vị trí hiệu chuẩn được duy trì ở bờ biển Nam California và gần đảo Lampedusa ở Địa Trung Hải Bên cạnh đó thì SLR, GPS và DORIS cũng được sử dụng hình1.3 Độ cao mặt biển được xác định độc lập từ giá trị đo cao và đo thủy triều Độ lớn của các sai số này ảnh hưởng đến giá trị đo cao vào khoảng 40 cm đối với ERS-1 và gần như bằng không

đối với T/P Đối với JASON và ENVISAT được hỗ trợ bởi một mạng lưới các trạm nghiệm triều và được định vị bằng các trị đo của DORIS và GPS

Một sai số do dụng cụ nữa gây ra do độ lệch hướng của chùm tia khỏi phương thẳng đứng Ảnh hưởng này phụ thuộc vào độ dài của xung và độ rộng của chùm tia và có thể được giảm thiểu bằng biện pháp kỹ thuật Ảnh hưởng này có thể được bỏ qua đối với các hệ thống giới hạn chiều dài xung vì

“dấu chân” được xác định theo chiều dài xung

2 Số hiệu chỉnh do tầng ion:

Số hiệu chỉnh này tính đến việc chậm trễ của tín hiệu radar do thành phần điện tử trong tầng khí quyển (tầng ion) Việc tính toán được thực hiện bằng cách kết hợp các trị đo cao vệ tinh radar thu được ở hai tần số khác nhau (C-band và Ku-band đối với T/P và Jason-1, Ku-band và S-band đối với Envisat) hoặc từ trị đo DORIS (đối với vệ tinh T/P, Jason-1 và Envisat) Số hiệu chỉnh này có độ lớn từ 0 đến 50cm

Hình 1.4 Số hiệu chỉnh do tầng điện ly được xác định từ trị đo của DORIS Bản đồ được vẽ bằng Basic Radar Altimetry Toolbox đối với sản phẩm của vệ

tinh đo cao JASON -1 Đơn vị là m

Bởi vì ảnh hưởng này phụ thuộc vào tần số nên trị đo khoảng cách ở hai tần số có thể tính được ảnh hưởng này Trong điều kiện Đại Dương điển hình, chiều cao sóng là 2m, số hiệu chỉnh khoảng cách do tầng điện li cho Ku-band được xác định từ các máy đo tần số kép có độ chính xác dự kiến

±0,5cm

3 Số hiệu chỉnh tầng đối lưu ướt:

Số hiệu chỉnh tầng đối lưu ướt là số hiệu chỉnh cho sự chậm trễ của tín hiệu radar do nước lỏng ở trong khí quyển Nó được tính từ các trị đo bức xạ

và các mô hình khí tượng Nó có giá trị khoảng từ 0 đến 50cm với biên độ chu kỳ hàng năm đến 20cm

Số hiệu chỉnh này thường được tính toán trên đại dương với các trị đo bức xạ Nhưng các trị đo bức xạ như vậy thường không có trên Mặt Đất hoặc khu vực gần bờ nên ở các khu vực này có thể thay thế bởi số hiệu chỉnh tính

từ mô hình khí tượng (thường sử dụng mô hình NCEP hoặc ECMWF)

4 Hiệu chỉnh tầng đối lưu khô

Số hiệu chỉnh này là do thành phần khí của khí quyển gây nên sự chậm trễ tín hiệu radar Cho đến nay, đây là số hiệu chỉnh lớn nhất phải tính cho trị

đo cao vệ tinh vì nó lên đến 2,3 m nhưng ít thay đổi theo thời gian (chỉ thay

đổi vài cm)

5 Số hiệu chỉnh do áp suất khí quyển

Đây là số hiệu chỉnh cho sự thay đổi độ cao mặt biển do áp suất khí quyển thay đổi Số hiệu chỉnh này có thể đạt tới ±15 cm và nó được tính toán

từ các mô hình khí tượng

Phản ứng của mặt biển với những thay đổi của áp suất khí quyển có ảnh hưởng lớn đến độ cao mặt biển đo được Hình thức đơn giản để hiệu chỉnh là xác định phản ứng hoàn toàn cục bộ của mặt biển đối với áp suất khí quyển tại điểm đo Số hiệu chỉnh do áp suất khí quyển có thể được tính dễ dàng từ số hiệu chỉnh tầng đối lưu khô bằng thành phần tính toán đầu tiên là áp suất mực nước biển P0 theo công thức [8]

IB = -9.948.(∆Rdry – 1013.3) (1.3)

trong đó: IB có đơn vị là mm; ΔR dry có đơn vị là mbar

Với 1 mbar áp suất khí quyển thay đổi tương ứng với sự thay đổi tuyến

tính của mực nước biển khoảng 1cm

6 Số hiệu chỉnh do độ ghồ ghề của mặt biển

Đây là số hiệu chỉnh do độ ghồ ghề của mặt biển làm cho sự phản xạ tín hiệu ở đỉnh sóng và chân sóng khác nhau Số hiệu chỉnh này được tính từ

mô hình Hiện nay đây là yếu tố lớn nhất trong các nguồn sai số của đo cao vệ tinh

Do “dấu chân” của sóng radar lớn, mặt biển phản xạ tín hiệu khác nhau: đáy sóng phản xạ tín hiệu tốt hơn đỉnh sóng, do đó độ cao của mặt biển

đo được sẽ có xu hướng chuyển từ mặt biển trung bình về phía đáy sóng Sự thay đổi này ảnh hưởng đến kết quả đo khoảng cách từ vệ tinh đến mặt biển

Số hiệu chỉnh này phụ thuộc vào độ cao sóng và tần số tín hiệu radar

Hình 1.5 Số hiệu chỉnh do độ gồ ghề mặt biển tính toán từ mô hình thực

nghiệm đối với băng tần Ku, vệ tinh JASON-1, chu kỳ 223

Các hiệu chỉnh này cũng có tên là độ lệch trạng thái biển, có phụ thuộc tuyến tính vào độ cao sóng (SWH) và đạt từ 2 đến 4% của SWH Các thảo luận về độ lệch trạng thái biển có thể tìm thấy trong tài liệu của Chelton năm

2001

Hình 1.6 Mối quan hệ giữa độ dốc cạnh hàng đầu của các tín hiệu phản hồi

và chiều cao sóng; SWH = trung bình giá trị lớn thứ ba của chiều cao sóng

1.1.2.3 Sai số do mặt biển tức thời biến động

Độ lệch này được chia thành 2 phần: một phần không thay đổi theo thời gian kí hiệu là hđ, một phần biến đổi theo thời gian kí hiệu là ht Các trị đo cao phải được hiệu chỉnh đối với thành phần biến đổi theo thời gian trước khi chúng được sử dụng để xác định mặt biển trung bình Các thay đổi của mặt biển chủ yếu là do thủy triều và hiệu ứng khí quyển; Độ gồ ghề của mặt biển

có thể được bỏ qua vì nó đã được tính trung bình trong xử lý trị đo cao

Phần chính của sự thay đổi mặt biển được gây ra do thủy triều Trên Đại Dương, thủy triều đạt khoảng từ 10 đến 60cm, với vùng gần bờ và vùng biển nông giá trị này lớn hơn Trước khi phóng T/P, những hiểu biết về thủy triều chủ yếu dựa trên mô hình thủy triều động học với những thực nghiệm hạn chế từ đo thủy triều toàn cầu Mô hình thủy triều Đại Dương toàn cầu của Schwiderski (1984) với độ chính xác khoảng 0,1 m được sử dụng rộng rãi Cùng với số liệu đo cao vệ tinh T/P hiện nay thủy triều có thể ước lượng với

độ chính xác 2-3 cm Triều Trái Đất rắn là nguyên nhân gây ra chuyển dịch của vỏ Trái Đất về độ cao ở mức dm Chúng bao gồm ảnh hưởng của lực thiên văn trực tiếp và ảnh hưởng của chuyển động vỏ trái đất do triều Đại Dương Độ chính xác của mô hình là khoảng 1cm hoặc tốt hơn Cả triều Trái

Đất rắn và triều Đại Dương đều phải được loại bỏ ra khỏi số liệu đo cao trước

khi sử dụng chúng để nghiên cứu các dòng hải lưu

Thành phần cố định hđ là địa hình mặt biển trung bình cũng có tên là độ

cao địa hình mặt biển trung bình động học có biên độ khoảng 2 mét Tùy

thuộc vào đối tượng sử dụng mà thành phần này có thể là giá trị cần hiệu

chỉnh hoặc giá trị cần quan tâm nghiên cứu Nếu số liệu đo cao được sử dụng

để xác định Geoid biển thì địa hình mặt biển cần phải hiệu chỉnh vào trị đo

bằng các mô hình Hải Dương học Theo truyền thống, độ cao động học được

tính từ số liệu thủy văn liên quan đến một mặt tham chiếu áp suất ngang bằng

ở độ sâu lớn (vài nghìn mét)

Trong Hải Dương Học, độ cao địa hình mặt biển trung bình động học là

vấn đề cần quan tâm thì sóng Geoid lại cần phải được hiệu chỉnh Thông tin

chính xác về Geoid trên đại dương có được (không bao gồm từ số liệu đo cao

vệ tinh) chỉ dành cho bước sóng dài Đối với bước sóng ngắn, (bao gồm cả số

liệu đo cao vệ tinh) độ chính xác ước lượng khoảng vài dm Khó khăn trong

việc tách các sóng Geoid N và địa hình mặt biển hđ là vấn đề cơ bản trong

việc sử dụng đo cao vệ tinh trong Trắc Địa cũng như trong Hải Dương Học

Một số giải pháp tồn tại để cải thiện tình hình bằng cách đưa thêm thông tin

về dòng chảy đại dương hoặc quĩ đạo vệ tinh Giải pháp tốt nhất là xác định

Geoid với bước sóng ngắn từ các chương trình trọng lực mới (CHAMP,

GRACE, GOCE)

1.2 Các chương trình đo cao vệ tinh

1.2.1 Các chương trình đo cao vệ tinh ngừng hoạt động

Bảng 1.1 Các chương trình đo cao vệ tinh ngừng hoạt động

Phóng

Ngày Kết Thúc

Độ Cao (Km)

Góc Nghiêng

Thời Gian Lặp (Ngày)

Cơ

1 GEOSAT 12/3/1985 1 1990 800 108 o 17.05

Hải quân

Mỹ

Nghiên cứu mực nước biển trung bình

và đại dương

3 ERS-2 4/1995 6/1996 799.8 98 o 50 35 ESA

Quan sát Trái Đất, đặc biệt là khí quyển

và đại dương

Quan sát và tìm hiểu các dòng hải lưu

5 ENVISAT 01/03/2002 08/06/2012 799.8 98 o 30

35 ESA

Nghiên cứu môi trường

và biến đổi khí hậu

Cung cấp

dữ liệu về địa hình đại dương

7 JASON-1 07/12/2001 01/7/2013 1336 66 o 9.915

NASA

và Cnes

Nghiên cứu hải dương học,giám sát sự chuyển động của các dòng hải lưu của các đại dương trên toàn cầu

1.2.1.1 Vệ tinh GEOSAT

Vệ tinh GeoSat có nhiệm vụ chủ yếu là nhiệm vụ Trắc địa (Geodetic

Mission - GM), đó là đo đạc Geoid biển, ngoài ra vệ tinh GeoSat có thể đo

đạc trạng thái của thủy triều và phục vụ cho các mục đích của Hải quân Hoa

Kỳ Khoảng 18 tháng sau khi được phóng lên quỹ đạo, vệ tinh GeoSat được

thiết kế với chu kỳ đo lặp lại 17.05 ngày và tiếp tục thực hiện nhiệm vụ “Đo

lặp chính xác” (ERM) bắt đầu từ 08/11/1986, trong nhiệm vụ này các tuyến

đo lặp lại cung cấp dữ liệu đo cao phục vụ cho các mục đích nghiên cứu khoa học được cung cấp thông qua NOAA

Vệ tinh GeoSat thực hiện nhiệm vụ ERM trong vòng 3 năm đến ngày 31/01/1990, vệ tinh ngừng hoạt động

Hình 1.7 Vệ tinh GEOSAT (nguồn: AVISO) 1.2.1.2 Vệ tinh ERS

ERS-1 là vệ tinh viễn thám của Châu Âu (European Remote Sensing)

có nhiệm vụ chính là quan sát Trái Đất, đặc biệt là khí quyển và Đại Dương Trên vệ tinh ERS-1 có một số thiết bị trong đó có thiết bị đo cao radar

Vệ tinh ERS-2 là vệ tinh tiếp theo của ERS-1 được phóng tháng 4 năm

1995 Nó được sử dụng song song với vệ tinh ERS-1 từ tháng 8 năm 1995 đến tháng 6 năm 1996.

Hình 1.8 Vệ tinh ERS-1(Nguồn: AVISO)

Quĩ đạo của ERS-1

Hình 1.9.Quĩ đạo của ERS-1(Nguồn: AVISO)

Để thực hiện nhiệm vụ của mình thì quĩ đạo vệ tinh ERS-1 phải được đảm bảo sao cho vệ tinh bay đúng đường đã thiết kế Để đạt được điều này vệ tinh ERS-1 được bố trí 3 trục ổn định, vệ tinh hoạt động trong chế độ (YSM) Quĩ đạo vệ tinh có dạng hình elip, đồng bộ với Mặt Trời, gần cực, chiều cao trung bình 785 km, góc nghiêng 98.50 và thời gian mặt trời địa phương tại nút giáng là 10:30 sáng Hình 1.9, biểu diễn quĩ đạo của vệ tinh ERS-1

Dương hoặc chiều cao mặt biển trên toàn cầu với độ chính xác chưa từng có với chu kỳ lặp lại 10 ngày

Chương trình vệ tinh đo cao T/P là một thành công vượt trội: Tất cả mọi người, đặc biệt là những người tham gia chương trình này ngay từ đầu đều đánh giá rằng T/P là một thành công Trong 13 năm hoạt động T/P với những phát triển của khoa học kỹ thuật đặc biệt là các thành tựu về truyền thông, vệ tinh này đã đáp ứng được tất cả các ứng dụng dự kiến của nó và thành công của nó làm cho mọi người phải chú ý hơn đến dữ liệu đo cao vệ tinh

Hình 1.10 Vệ tinh T/P trên quỹ đạo (Nguồn: AVISO)

Các thiết bị trên vệ tinh T/P

Để hữu ích cho việc nghiên cứu tuần hoàn đại dương, đặc biệt là các dòng chảy ở qui mô khu vực, T/P đã có nhiều cải tiến so với các vệ tinh đo cao trước đó (SEASAT, GEOSAT) như: thiết kế vệ tinh đặc biệt, bộ cảm biến, hệ thống theo dõi vệ tinh và cấu hình quĩ đạo cũng như sự phát triển của

mô hình trường trọng lực tối ưu để xác định chính xác quĩ đạo và hệ thống các trạm theo dõi chuyên dụng trên Mặt Đất để phục vụ cho hoạt động của vệ tinh

Hình 1.11 Các thiết bị của vệ tinh T/P (Nguồn: AVISO)

Vệ tinh T/P có khối lượng 2400 kg mang theo 6 thiết bị (4 thiết bị hoạt

động và 2 thiết bị thí nghiệm) được mô tả trong bảng 1.2

Để xác định quĩ đạo chính xác cho vệ tinh người ta đã kết hợp sử dụng

cả hai phương pháp là LRA và DORIS, một của NASA và một của CNES

Bảng 1.2 Các thiết bị trên vệ tinh T/P

Khoảng cách đo cao Chiều cao sóng

Tốc độ gió

Hệ số tán xạ Hiệu chỉnh tầng điện ly

SSALT

(Poseidon-1) Đo độ cao radar trạng thái đất CNES

Khoảng cách đo cao Chiều cao sóng Tốc độ gió

Hệ số tán xạ

Nhiệt độ ánh sáng Thành phần hơi nước Hàm lượng nước lỏng

DORIS Máy thu hệ thống theo dõi

Lịch quĩ đạo chính xác

Vị trí chính xác đến Mặt Đất Hiệu chỉnh tầng điện ly

GPSDR Máy thu hệ thống định vị toàn

Thiết bị đo độ cao hai tần số của NASA (NRA – Nasa Radar

Altimeter)

Thiết bị đo độ cao hai tần số của NASA có khối lượng 206 kg (bao

gồm cả dự phòng), công suất 237 W, hoạt động ở tần số 13.6 GHz (băng tần

Ku) và 5.3 GHz (băng tần C) được cung cấp bởi NASA Đây là thế hệ thứ

năm của máy đo độ cao Nó được thiết kế dựa trên cơ sở thiết bị đo cao trong

SEASAT và GEOSAT trước đó, với những cải tiến đáng kể như thêm tần số

5.3 GHz để đo tầng điện ly Nó là cảm biến chính cho vệ tinh T/P Các trị đo

ở hai tần số được kết hợp với nhau để xác định ra độ cao của vệ tinh trên biển,

tốc độ gió, chiều cao sóng và số hiệu chỉnh khí quyển

Thiết bị đo bức xạ vi sóng ba tần số của T/P (TMR – Three-frequency

Topex Microwave Radiometer)

TMR nặng 50 kg (bao gồm cả phần dự phòng), công suất 25 W, đo vi

sóng phản xạ bề mặt biển ở 3 tần số (18, 21 và 37 GHz) để cung cấp tổng

thành phần hơi nước dọc theo đường đo cao Kênh 21 GHz là kênh chính để

đo hơi nước Các kênh 18 và 37 GHz là các kênh tương ứng để loại bỏ ảnh

hưởng của tốc độ gió và mây che phủ đến trị đo lượng hơi nước Các trị đo

được kết hợp với nhau để cho ra sai số trong trị đo khoảng cách vệ tinh do hơi

nước làm chậm trễ sự truyền tín hiệu

Laser Retroreflector Array (LRA)

LRA có trọng lượng 29 kg phản xạ tín hiệu laser từ mạng lưới 10 đến

15 trạm đo laser trên Mặt Đất (Satellite Laser Ranging stations–SLR) để cung

cấp số liệu quan trắc nhằm xác định chính xác quĩ đạo vệ tinh và làm hiệu chuẩn thiết bị đo độ cao

Hệ thống theo dõi Doppler hai tần số (DORIS)

DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositiong Integrated by Satellite) nặng 43 kg (bao gồm cả thiết bị dự phòng), có công suất 21W, là hệ thống của Pháp, có sử dụng máy thu hai kênh (401.25 MHz và 2036.25 MHz)

để đo tín hiệu Doppler từ mạng lưới khoảng 50 trạm trên mặt đất Nó cung cấp các quan sát thời tiết toàn cầu của vệ tinh nhằm xác định quĩ đạo chính xác Thiết bị DORIS được trang bị cảm biến khí tượng đo nhiệt độ, độ ẩm, áp suất khí quyển để hiệu chỉnh ảnh hưởng của khí quyển đến truyền tín hiệu Tín hiệu Doppler được truyền ở 2 tần số để loại bỏ ảnh hưởng của tầng điện

ly đến số liệu quan trắc và số liệu đo cao

Máy đo độ cao trạng thái đất một tần số (SSALT - Single frequency Solid State radar ALTimeter)

SSALT còn gọi là Poseidon-1 là thiết bị đo cao công nghệ mới có công suất thấp 49W, trọng lượng nhẹ (23kg, không kể dự phòng) dùng cho nhiệm

vụ đo trái đất trong tương lai Nó được cung cấp bởi Cơ quan vũ trụ Pháp (French Space Agency – CNES) Nó có ăng ten tương tự như NRA, do chỉ có một máy đo cao hoạt động ở một thời điểm Nó hoạt động khoảng 10% thời gian hoặc 1/10 chu kỳ SSALT hoạt động ở tần số đơn 13.65 GHz (Ku band) Các trị đo cung cấp thông tin địa vật lý giống như NRA Tuy nhiên do thiết bị này chỉ sử dụng một tần số nên cần phải cung cấp cho nó số hiệu chỉnh tần điện ly

Máy thu tín hiệu hệ thống định vị toàn cầu (GPSDR)

Thiết bị này nặng 28 kg, công suất 29W, hoạt động ở tần số 12227.6 MHz và 1575.4 MHz, thu tín hiệu từ 6 vệ tinh GPS Ăng ten GPS được gắn trên cần dài để giảm ảnh hưởng đa đường dẫn Các số liệu vệ tinh này kết hợp

với theo dõi GPS từ các trạm mặt đất cho phép nhận được các lời giải gần hình học Theo dõi chính xác vệ tinh có thể được thực hiện bằng cách sử dụng phép lọc Kalman và kỹ thuật hiệu khoảng cách GPS

Quĩ đạo của T/P

Cấu hình quĩ đạo được lựa chọn để tối ưu hóa việc nghiên cứu biến đổi Đại Dương ở qui mô lớn và tránh sự kết hợp với thủy triều ở cùng tần số Độ cao quĩ đạo cùng được lựa chọn sao cho giảm thiểu ảnh hưởng của sức cản không khí và trường trọng lực đến vệ tinh và xác định quĩ đạo dễ dàng và chính xác hơn

Ngày 15 tháng 9 năm 2002 T/P tạo ra một nửa quĩ đạo giả định mới nằm giữa các vết đo của nó Các vết đo của nó cũng đã tràn sang bởi vệ tinh JASON- 1 Các chương trình vệ tinh song song này đã chứng minh tính tối ưu của một chòm vệ tinh

Trên quĩ đạo mới của nó, vệ tinh T/P nằm ở một nửa khoảng cách giữa các vết đo của JANSON Chu kỳ 369, ngày 20 tháng 9 năm 2002 là chu kỳ đầy đủ đầu tiên trong quĩ đạo mới

Hình 1.12 Các vết đo của vệ tinh T/P (Nguồn: AVISO)

Độ cao chính xác 1336 km cho phép quĩ đạo đáp ứng được những yêu cầu và bay qua hai trạm hiệu chuẩn nằm ở Địa Trung Hải (đảo Lampedusa, Italy) và ở giàn khoan Harvest (California, USA) Góc nghiêng là 66o nhằm

đảm bảo cho vệ tinh có thể đo được từ 66oBắc đến 66o Nam chiếm gần hết Đại Dương toàn cầu (90%) Quĩ đạo không đồng bộ với Mặt Trời và đồng hướng Chu kỳ lặp lại là 9.916 ngày là sự thỏa hiệp tốt nhất giữa độ phân giải không gian và thời gian Khoảng giãn cách giữa các vết đo trên Xích Đạo là

315 km

Do lực cản của không khí và do trường trọng lực của Trái Đất, áp suất bức xạ Mặt Trời, vệ tinh có xu hướng từ từ rơi vào Trái Đất Do đó, những điều chỉnh định kỳ được thực hiện để giữ cho vệ tinh trên quĩ đạo Tần suất của các lần điều chỉnh phụ thuộc chủ yếu vào dòng năng lượng của Mặt Trời tác động đến bầu khí quyển, nói chung khoảng từ 40 đến 200 ngày Quá trình điều chỉnh này thường mất 20 đến 60 phút Việc điều chỉnh về nguyên tắc có thể thực hiện vào bất kỳ lúc nào vào cuối chu kỳ 10 ngày, tốt nhất là thực hiện vào lúc vệ tinh bay qua đất liền, như thế sẽ không làm gián đoạn việc xác định quĩ đạo khi đo trên biển Các tham số quĩ đạo được trình bày trên bảng sau:

Bảng 1.3 Các tham số chính và tham số bổ sung của quỹ đạo vệ tinh T/P

hoặc 1h52') Đối số của cận

điểm

Tốc độ quét trên Mặt Đất

5.8 km /s

1.2.1.4.Vệ tinh ENVISAT

Vệ tinh ENVISAT (Environmental Satellite) là thế hệ vệ tinh tiếp theo

thực hiện nhiệm vụ của vệ tinh ERS-1 và ERS-2 Đây là vệ tinh có nhiệm vụ chủ yếu là nghiên cứu môi trường và biến đổi khí hậu, vệ tinh này quan trắc

bề mặt và khí quyển của Trái Đất

Vệ tinh ENVISAT được trang bị 10 thiết bị dùng để quan sát các tham

số từ việc xác định Geoid biển đến việc quan sát lượng khí thải với độ phân giải cao Từ năm 2002 đến tháng 10 năm 2010, chu kỳ quỹ đạo đo lặp của vệ tinh ENVISAT là 35 ngày giống như vệ tinh ERS-2 và một số giai đoạn của

vệ tinh ERS-1 Do được sử dụng trong các chương trình nghiên cứu khí hậu quốc tế mới như chương trình GOOS và GODAE, vệ tinh ENVISATcó vai trò quan trọng trong nghiên cứu Hải Dương Học, có khả năng truy cập dữ liệu gần như tức thời

Để đảm bảo cho vệ tinh có thể hoạt động thêm ba năm, vệ tinh ENVISAT đã di chuyển xuống quỹ đạo mở rộng mới có độ cao thấp hơn vào ngày 22/10/2010 Từ ngày 02/11/2010, để mở rộng quỹ đạo của mình vệ tinh ENVISAT đã có một vài thay đổi trong việc quan trắc mặt đất dẫn đến thay đổi chu kỳ đo lặp: 30 ngày với 431 quỹ đạo thay cho 35 ngày với 501 quỹ đạo

Hình 1.13 Vệ tinh EVISAT (Nguồn: AVISO)

Một số thiết bị trên vệ tinh EnviSat:

- MERIS (Medium Resolution Imaging Spectrometer): có vai trò xác

định mức độ phản xạ năng lượng mặt trời của bề mặt và khí quyển của Trái Đất (390 ÷ 1040 nm) và chuyển đổi thành 15 băng phổ phát xuống đoạn sử dụng dưới mặt đất Thiết bị này được sản xuất bởi trung tâm vũ trụ Mandelieu

Pháp (Cannes Mandelieu Space Center);

- AATSR (Advanced Along Track Scanning Radiometer): có vai trò

quan trắc nhiệt độ bề mặt nước biển trong vùng quang phổ nhìn thấy và vùng hồng ngoại

- SCIAMACHY (Scanning Imaging Absorption spectroMeter for

Atmospheric CHartographY): có nhiệm vụ so sánh năng lượng từ mặt trời với

năng lượng phản xạ từ Trái Đất, cung cấp thông tin về khí quyển của Trái Đất thông qua năng lượng phản xạ này

- Thiết bị đo cao radar RA-2 (The Radar Altimeter 2): là thiết bị có thể

xác định độ trễ tín hiệu radar hai chiều từ bề mặt Trái đất với độ chính xác rất cao (≤ 1 nanogiây), nó cũng có thể xác định năng lượng và hình dạng của xung radar phản xạ Trong đo đạc biển, thiết bị RA-2 được sử dụng để xác định địa hình Đại Dương, phục vụ cho nghiên cứu hải lưu, đo sâu và phân tích Geoid trên biển Ngoài ra RA-2 có thể phục vụ cho công tác thành lập bản đồ

và nghiên cứu băng trên biển, băng ở cực và nhất là bề mặt đất;

- Thiết bị phát sóng vô tuyến sóng ngắn MWR (Microwave

Radiometer);

- Thiết bị Doris;

- GOMOS (Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars): có vai

trò quan trắc tầng Ozone của Trái đất;

- MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric

Sounding): có vai trò đo đạc nồng độ các chất khí trong tầng bình lưu của Trái

Đất;

- ASAR (Advanced Sythetic Aperture Radar): hoạt động trên băng tần

C, có khả năng xác định độ cao bề mặt Trái Đất với độ chính xác cỡ mm

Hình 1.14 Các thiết bị trên vệ tinh ENVISAT (Nguồn: AVISO)

Bảng 1.4 Các tham số quỹ đạo đặc trưng của vệ tinh EnviSat(Nguồn:AVISO)

Hình 1.15 Quỹ đạo chuyển động của vệ tinh EnviSat (Nguồn: AVISO)

1.2.1.5 Vệ tinh GFO

Vệ tinh GFO (Geosat Follow-On) có nhiệm vụ cung cấp dữ liệu về địa

hình đại dương thời gian thực cho Hải quân Hoa Kỳ Vệ tinh GFO được

phóng lên quỹ đạo vào ngày 10/02/1998 và ngừng hoạt động vào ngày

26/11/2008, có quỹ đạo đo lặp khoảng 17 ngày theo vệ tinh GeoSat

Chúng ta có thể truy cập và sử dụng dữ liệu của vệ tinh GFO thông qua

NOAA, dữ liệu thô của vệ tinh này là dữ liệu đo cao radar

Hình 1.16 Vệ tinh GFO (Nguồn: AVISO) 1.2.1.6 Vệ tinh JANSON-1

Vệ tinh Jason-1 có nhiệm vụ nghiên cứu hải dương học, giám sát sự

chuyển động của các dòng hải lưu của các đại dương trên toàn cầu, là sản

phẩm của sự hợp tác giữa NASA và Cnes

Một số thiết bị trên vệ tinh JASON-1

- Máy đo cao Poseidon-2 (Poseidon-2 Altimeter): đây là thiết bị thực

hiện nhiệm vụ chính, thiết bị này đã được cải tiến từ thiết bị đo cao

Poseidon-1 được thí nghiệm trên vệ tinh T/P Máy đo Poseidon là một thiết bị đo cao radar, phát ra xung tín hiệu hai tần số (13.6GHz và 5.3GHz, trong đó tần số 5.3GHz được sử dụng để xác định mức độ điện tử trong tầng khí quyển) và phân tích tín hiệu phản xạ từ bề mặt Trái Đất, căn cứ vào khoảng thời gian thu nhận tín hiệu có thể xác định chính xác khoảng cách đo được và hiệu chỉnh thêm các nguồn sai số khác;

- Máy đo bức xạ JMR (JMR Radiometer): thiết bị này có khả năng đo

bức xạ từ bề mặt Trái đất thổng qua ba tần số là 18.7GHz, 23.8GHz và 34.0GHz Việc kết hợp các tần số này có thể giúp xác định được mật độ hơi nước cũng như sự di chuyển hơi nước trong không khí Khi biết được các yếu

tố này, ta có thể xác định được các tham số để hiệu chỉnh vào tín hiệu radar;

- Thiết bị TRSR: thiết bị này sử dụng GPS để xác định vị trí của vệ tinh thông qua việc giao hội cạnh trong không gian, dữ liệu về vị trí sau đó sẽ được tổng hợp lại để xác định thành mô hình quỹ đạo của vệ tinh;

- Hệ thống xác định vị trí (Location System): hệ thống này có vai trò

xác định vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo với sai số không vượt quá 2cm Thiết

bị này bao gồm thiết bị LRA và thiết bị TRSR (GPS);- Thiết bị Doris: Hệ thống Doris sử dụng một mạng lưới mặt đất gồm 50 trạm phân bố trên toàn cầu, các trạm này gửi tín hiệu hai tần số đến máy thu trên vệ tinh Chuyển động tương đối của vệ tinh nhân tạo gây ra sự thay đổi về tần số đơn (hiệu ứng Doppler) được đo để xác định vận tốc của vệ tinh Số liệu này sau đó được đồng hóa trong mô hình xác định quĩ đạo để xác định thường xuyên vị trí chính xác của vệ tinh trong vòng 3cm trên quĩ đạo của nó Thiết bị này được cung cấp bởi CNES

Hình 1.17 Vệ tinh Jason -1 và các thiết bị (Nguồn: AVISO)

Quĩ đạo của vệ tinh JASON-1

Quĩ đạo của vệ tinh JASON-1 giống như của vệ tinh T/P Nó được tối

ưu để nghiên cứu sự biến đổi đại dương trên qui mô rộng lớn và để cung cấp vùng phủ 90% đại dương toàn cầu trong một chu kỳ 10 ngày

Hình 1.18 Các vết quét của vệ tinh JASON-1( Nguồn: AVISO)

1.2.2 Các chương trình đo cao đang hoạt động

Bảng 1.5 Các chương trình đo cao đang hoạt động

(Km)

Góc Nghiêng

Thời Gian Lặp (Ngày)

Cơ

1 CRYOSAT 08/04/2010 717 92

Quan trắc sự biến động về độ dày của lớp băng tại cực và mức độ bao phủ băng trên các đại dương

Cnes

và Tổ chức nghiên cứu không gian Ấn

Độ

Quan trắc băng, lượng mưa, các vùng biển, các vùng đất rừng và

độ cao sóng

Học viện Công nghệ

Vũ trụ Trung Quốc

Quan trắc môi trường động lực biển

Đo đạc độ ẩm ở lớp trên cùng bề mặt Trái đất

5 SENTINEL-3 2015 814.5 98o 65 27

ESA và Liên minh Châu

năm để xác định sự khác biệt về độ dày của các lớp băng trên lục địa và bao

phủ trên biển, nó cũng kiểm tra dự đoán băng ở Bắc Cực mỏng đi do hiện

tượng nóng lên toàn cầu

Vệ tinh Cryosat-2 nghiên cứu băng trên lục địa và trên biển Quỹ đạo của nó có độ nghiêng là 920và độ cao là 717 km bao phủ hầu hết vùng cực

Vệ tinh Cryosat mang theo máy đo cao giao thoa gọi là SIRAL và thiết bị